用原子写数据的超级存储技术

从最尖端的超级计算机到寻常的智能手机，电脑正越来越依赖于数据储存容量。为了保存所有的信息，每一个比特都要压缩到最小的空间里。

根据发表在《自然·纳米科技》上的新研究，科学家们成功用单一氯原子的位置编码了一个千字节——这已经小到突破天际了。理论上该技术能够在一平方英寸(大约一个SD卡大小)中存储500TB的数据，这相当于在0.1平方毫米的面积里存下整个美国国会图书馆里的所有档案和书籍。

其实物理学家们早在25年前就具备了原子控制能力。1990年，物理学家DonEigler就已经可以利用扫描隧道电子显微镜将35个氙原子排列成“IBM"字样。但是，由于原子在常温条件下极端的不稳定性，控制原子的技术成本很高，加上适宜的存储介质(即使用哪种原子)不好确定等原因，使得科学界采用原子存储数据的想法一直未能实现。这些年随着时代的进步，电子科学技术的发展，最终使原子存储成为可能。

纳米级编码

为了在如此小的级别进行编码，研究团队使用了扫描式隧道显微镜(STM)的针探头一个接一个地拨弄表面的原子。

“这就好比在玩滑块解谜游戏，”Otte说。“每个比特在铜原子表面都包含了两个位置，我们可以用一个氯原子在两个位置之间来回滑动。如果这个氯原子在上位置，洞在下位置，我们称之为1。如果洞在上位置，氯原子在下位置，这个比特就为0。”

因为原子周边都是空缺，因此完全可以细微地在栅格内按照原子固有的方式运动，相对于物理学家DonEigler将原子固定在一个点的做法，这提高了设备的稳定性。这种稳定性还带来了一个好处，从前需要液氦-210℃低温才能实现的原子控制现在-196℃就能满足要求。

1KB储存器的STM扫描(96纳米宽，126纳米高)，上面记录的是费曼

的演讲“There's Plenty of Room at the Bottom”(底部还有很多空间)

团队以9字节或者64比特为块整理他们的数据。每个方块都有一个由这些“洞”形成的标记，用来组建氯原子的矩阵。团队说这些标记就有点像二维码这种像素化的方块条码，上面存有铜镀层上的块的精确定位。这个编码同样可以告诉人们这个块是否被局部污染、表面缺陷或者其他因素毁坏。这些特征使得储存系统可以被放大到非常大的尺寸，因为铜镀层不一定要完美无缺；并且大大提高了数据的读取速度，从前需要一个接一个栅格地完整读取，然后再回头判断已经读取的数据是否正好满一个字节，现在只需要顺次读下去，碰到标记表示一个字节就行了。因此从前读取一组数据可能需要长达几天的时间，现在只要几个小时就OK了。

这种新方法仍然需要改进、测试和完善，但是现在已经在可靠性和可扩展性上展示了不起的前景，研究团队说。

该技术目前还有许多不成熟的地方。比如液氦-196℃低温环境的成本还是很高，并且无法实际应用，虽然速度相对从前快了不少，但还是不能满足日常需求等等。不过，令人兴奋的一点是，该技术或许对未来的原子存储技术指明了发展方向，我们期待着今后更大的突破。

延伸阅读：

著名的理论物理学家费曼早在1959年就做过《There's Plenty of Room at the Bottom》的主题演讲。该演讲阐述了用单个原子存储数据的想法，下面是节选的一段：

我们为什么不能把全套24册的大英百科全书全写在大头针的针头上？

首先让我们想这会牵扯到什么问题。大头针头直径是1/16英寸。如果将其直径放大25,000倍，针头的面积就等于全套大英百科全书纸张的面积。因此，只要 我们可以将大英百科全书上的文字缩小25,000倍就行。这样有可能吗？我们眼睛的解像能力大约是1/120英寸，这大约和大英百科全书细网版的再制版上 一个小点的直径一样大。如把这个点再缩25,000倍，其直径还有80?，等于32个一般的金属原子。换句话说，一个这种点的面积上还可以容纳1000个 原子。所以，就如光雕刻法(photoengraving)所要求的，每一个点都还可以很容易地调节大小，因此在大头针针头上有足够的空间来刻上全套大英 百科全书是毫无疑问的。

而且，如果是可以这样写的话, 就一定会有方法可以读。让我们假设所写成的是突起的金属字，也就是说，在大英百科全书之中黑色的部份都缩为1/25,000后，用突起的金属字写下来的。那么这样要怎么读呢？

如果有东西是这样写下来，我们是可以利用当今常用的技术把它读出来的。（当真有东西这样写下时，一定有人会想出更好的方法；但是保守起见，我只使用当今已知 的技术）。我们可以（1）把这些金属字压进塑胶材料中，将之做成一个模子，（2）然后把这个塑胶模子很小心地撕下来，（3）蒸发一层很薄的矽膜到模子上， （4）接着以某种角度蒸发黄金到矽膜上，使文字能够清楚地呈现，（5）最后把塑胶膜溶掉，留下矽膜，（6）然后我们就可以用电子显微镜来阅读了！

因此，将文字缩为1/25,000，以突起的金属字写在大头针头上，并且能够读取它，以今天的科技来讲是毫无问题的。另外，我们也会发现制造其拷贝是非常地容易；只要把金属字板再压进塑胶材料中，我们就可获得另外一个拷贝了。

青年时期的理查德·费曼